蚯蚓生物处理城市污泥对其农化性质的影响

周东兴¹, B.A  KacaTHKOB²

(1.东北农业大学资源与环境学院,黑龙江哈尔滨150030;

2.全俄农科院有机肥和泥炭工艺设计研究所,俄罗斯弗拉基米尔601390)

 

摘要:蚯蚓生物处理城市污水污泥过程中,有机质、全氮含量表现出下降,速效磷、交换态钾和硝态氮的浓度增加。重金属Mn、Zn、Ni、Pb、Cr和Ag的全量减少。Mn、Zn和Cr的浓度降低水平最大分别达到30%-40%,18%-27%和19%-22%。可移动态的Cu浓度降低达到38%-62%,而可移动态的Mn、Zn、Ni、Pb、Cr、Co和Cd达到了17%-44%。蚯蚓处理以高灰分城市污泥№1为主要成分的培养料时,利用有机氮的微生物群数量与最小值相比增加了10-16倍。处理以低灰分的城市污泥№2为主要成分的培养料时,微生物群的数量增加了24-41倍。

城市污泥的处理和处置是一直没有很好解决的问题,如何将产量巨大,成分复杂的污泥经过科学处理后,使其无害化、资源化,已成为世界科研工作者深为关注的课题之一。基于处置费用和资源化利用目的,目前,世界各国普遍采用的污泥处理方式是土地利用。城市污泥中除了含有大量有机质、植物生长所需的营养元素外,污泥中还含有各种各样污染物质,成分非常复杂,特别是其中的重金属成分,如铬、镉、铅、锌、汞等,以及病原微生物和寄生虫卵等,在城市污泥农用过程中,如果使用不当会造成农业用地和农作物污染^[1]。

城市污泥有别于各种类型的粪肥及作物副产物等传统有机肥,是稳定的有机肥料。这是由污水在生物净化池中耗氧稳定化的过程和长期储存造成的。这种情况下城市污泥中的灰分达到了40%-70%。有机废弃物的蚯蚓堆制处理是从20世纪80年代发展起来的一项新型的生物处理技术。这种新的处理技术是将传统的堆肥法与生物处理相结合,利用蚯蚓的诸多优良特性对有机废弃物进行处理并以蚓粪的形式排出^[2]。

对于蚯蚓生物来讲,污泥的初始营养价值低于各种类型粪肥的价值[3]。这样,通过蚯蚓处理城市污水污泥变为蚯蚓粪可以提高类似于粪肥的指标。由于城市污水污泥有机成分复杂的分子结构,尤其是肽链部分,对这些肽链成分进行蚯蚓处理堆肥,可以在酶的作用下变成生长调节剂类的化合物结构^[4]。

鉴于研究和探讨城市污泥的资源化利用,本研究利用蚯蚓生物对城市污泥进行处理。将城市污泥与牲畜粪便、草炭、秸秆和锯末进行不同比例的混合,通过蚯蚓生物处理废弃物和进行各项指标分析比较,目的在于研究和发现蚯蚓处理污泥过程中对这些培养料中的营养元素、重金属和微生物数量的影响。

1试验材料与方法

1.1供试材料

(1)蚯蚓品种:蚯蚓Eisenia foetida。

(2)供试材料:高灰分城市污泥№1;低灰分城市污泥№2;城市污泥(№1,№2)和半液态状的牲畜粪便,过渡型草炭,秸秆和锯末的混合物作为培养料。

1.2试验方法

该研究在实验室条件下完成。类似优秀杂交品种“Сmapameπb”,在温度为18℃-20℃、培养料湿度在70%-75%条件下,利用蚯蚓品种Eisenia foetid进行蚯蚓处理城市污水污泥制堆肥。蚯蚓生物堆肥处理在塑料箱中完成,堆肥周期为两个月。

(1)培养料的制备:①80%城市污泥№1+20%秸秆;②70%城市污泥№1+20%秸秆+10%粪肥;③70%城市污泥№1+20%草炭+10%粪肥;④70%城市污泥№1+20%锯末+10%粪肥;⑤80%城市污泥№2+20%秸秆;⑥70%城市污泥№2+20%秸秆+10%粪便;⑦70%城市污泥№2+20%草炭+10%粪便;⑧70%城市污泥№2+20%锯末+10%粪便。

(2)条件控制:将上述培养料放置在塑料箱中进行蚯蚓生物处理试验。每个塑料箱放置培养料1kg,每个处理3次重复。湿度和温度保持在蚯蚓生命活动最适宜的条件:分别是湿度75%,温度20℃-25℃,放养密度为每kg培养料45条蚯蚓。

2试验结果与分析

根据对不同城市污泥为主的各种培养料堆肥过程进行研究,所获得蚯蚓粪的性质表现出一定的差别。

2.1蚯蚓处理对城市污泥农化性质的影响

在城市污泥为主要成分、只添加秸秆的培养料进行蚯蚓处理时,产生了轻微的酸化蚯蚓粪,其中来自污泥池的城市污泥(城市污泥№2)进行蚯蚓堆制时比较明显。在高灰分城市污水污泥№1为主要成分的培养料中添加半液态牲畜粪便,由于粪便中的N-NH4,蚯蚓堆肥发生碱化。

蚯蚓堆肥的农化性质实质上取决于培养料的初始成份(表1)。在蚯蚓堆肥处理过程中,添加粪便和秸秆的低灰分城市污水污泥№2为主要成分的培养料产生的蚯蚓粪中,灰分提高了5%-10%。添加含2%灰分针叶树木锯末的高灰分城市污水污泥№1为主要成分的培养料组分中,没有导致蚯蚓堆肥中灰分含量的升高。由此看出,以城市污水污泥为主要成分的培养料的矿化强度取决于其初始的特性,首先是灰分和酸度。除此之外,蚯蚓的密度、蚯蚓堆肥处理周期和特殊微生物群的活动强度也影响以城市污水污泥为主要成分的培养料矿化速度。

有别于氮,蚯蚓处理培养料可导致在低含磷量、高灰分城市污泥№1为主要成分,及以高磷含量、城市污泥№2为主要成分的蚯蚓粪中,磷含量增加。这种情况下,由于蚯蚓较强地利用培养料的其他成分,以高灰份的城市污泥№1为主要成分的蚯蚓堆肥中,磷的含量实质上更高。

在蚯蚓堆肥的成分中,全钾含量方面也具有相似关系。添加了粪便和草炭的高灰分城市污泥№1为培养料的蚯蚓堆肥,和添加锯末、粪便的城市污泥№2为培养料的蚯蚓堆肥例外。这取决于钾含量低、未被蚯蚓利用的草炭和锯末的影响。

以各种城市污泥为主要成分的培养料进行蚯蚓堆肥,本质上提高了蚯蚓堆肥中易被植物吸收的营养元素的含量。其中,在具有高灰分城市污泥№1为主要成分的蚯蚓堆肥中,P2O5的含量增长了3.2%-23%。而城市污泥№2为主要成分的,增加了14%-57.3%。在利用添加秸秆和牲畜粪便的城市污泥培养料时,不会引起蚯蚓堆肥中P2O5的增加,这与粪便中低含量的磷有关。同时在所有研究的各处理中,K2O的含量增加1.4-3倍,在城市污泥№2为主要成分的蚯蚓堆肥中达到最高水平。

2.2蚯蚓处理对城市污泥中重金属的影响

由于城市污泥中高含量的重金属,研究了蚯蚓堆肥中重金属含量的影响。蚯蚓处理堆肥没有导致初始培养料成分明显的质量变化(表2)。这取决于城市污水污泥和重金属的类型,重金属的全量降低3%-40%。重金属最大水平的减少是在含有Mn、Zn、Ni、Pb、Cr和Ag等的城市污泥№2培养料中表现出来。在此条件下,Mn、Zn和Cr,降低的水平最大,分别达到30%-40%,18%-27%和19%-22%,取决于蚯蚓堆肥处理时,有不同趋向过程的渗透。一方面,在蚯蚓生物体内发生重金属的积累,另一方面,蚯蚓生物体利用了以城市污泥№2为主要成分的培养料中有效渗透的有机成分,使初始培养料生物量减少。

与对重金属全量的影响一样,蚯蚓处理堆肥同样有效地影响着能被pH4.8的醋酸氨缓冲液提取的有效态重金属的动态变化。对于有效态的重金属浓度降低的影响比全量重金属明显(表3)。

以城市污泥№1为主要成分的培养料的蚯蚓堆肥,有效态铜的含量降低达到44%-59%,在利用城市污泥№2为主要成分的培养料时,有效态铜的含量降低达到38%-62%。对于重金属Mn、Zn、Ni、Pb、Cr、Co和Cd比较城市污泥№1和城市污泥№2,在蚯蚓堆肥中有效态重金属含量的降低分别达到17%-44%和19%-44%。

2.3蚯蚓处理对微生物数量的影响

在蚯蚓生物处理城市污泥为主要成分的培养料中有各种微生物群的参与(表4)。在蚯蚓生物处理高灰分城市污泥№1为主要成分的培养料过程中,对于用城市污泥、秸秆和粪便,以及城市污泥、草炭和粪便培养料为主的蚯蚓生物堆肥,利用有机氮的微生物群数量与最小值相比增加了10-16倍。在以低灰分的城市污泥№2为主要成分的培养料中也获得类似的关系,这些微生物群的数量增加了24-41倍。

蚯蚓处理城市污泥过程中,在真菌和放线菌较弱活性条件下,细菌在很大程度上得到了生长。硝化细菌的高活性取决于城市污泥的成分,尤其是城市污泥№1中的氨态氮的含量。蚯蚓处理城市污泥№1过程中,硝化细菌的总数升高了3.4—46.3倍。这取决于堆制该培养料时硝化过程的快速发生,主要与培养料中良好的通氧条件有关。

3讨论与结论

3.1讨论

应当指出,蚯蚓粪中全氮含量和初始城市污泥相比较低^[5]。这在利用具有较高全氮含量的低灰分城市污泥№2情况下更能表现出来。在低氮的高灰分城市污泥№1为主要成分的蚯蚓堆肥中,某些全氮含量增加,一方面取决于蚯蚓较弱的处理城市污泥的程度和较强利用其他培养料成分,另一方面取决于固氮微生物数量的增长。蚯蚓粪作为肥料,其特性在很大程度上是由其

中的营养元素的有效态,如速效磷、全钾和硝态氮等的含量决定的^[4]。在以城市污泥为主要成分的蚯蚓堆肥中,磷钾含量表现出的增加,是由于形成蚯蚓生物量而对有机成分的强烈需求,而磷较少被利用的原因。

以城市污泥№1和№2为主要成分的蚯蚓堆肥,有效态Cu、Mn、Zn、Ni、Pb、Cr、Co和Cd的含量都有不同程度的降低。引起城市污水污泥有机质强烈腐殖质化和形成热力学较稳定的、其中包括与重金属结合,产生与初始城市污泥相比具有较低程度移动性络合物的腐殖酸有机化合物,是该现象产生的主要原因。

与城市污泥相比,利用矿物质氮的微生物,在以城市污泥为主要成分的蚯蚓堆肥中同样可以很

好地生长。这时放线菌活动在全氮含量高的城市污泥№2为主要成分培养料的蚯蚓堆肥中受抑制,而在城市污泥№1为主要成分培养料的蚯蚓堆肥中强烈的生长。

3.2结论

(1)在蚯蚓处理城市污泥的过程中,有机质、全氮的含量表现出下降,速效磷、交换态钾和硝态氮的含量增加。

(2)重金属的全量减少,其中Mn、Zn和Cr的浓

度降低水平分别达到30%-40%, 18%-27%和19%-22%。可移动态的铜浓度降低达到38%-62%,可移动态的Mn、Zn、Ni、Pb、Cr、Co和Cd达到了17%-44%。

(3)蚯蚓处理城市污泥导致了主要微生物群的微生物学活性多倍地增长。其中,真菌在培养料蚯蚓处理过程中,其数量增加超过10倍。